Ford desarrolla un sistema de test para pilas de combustible usando NI VeriStand y el complemento INERTIA

Michael P.C. Cornwall, Wineman Technology, Inc.

"NI VeriStand y el complemento INERTIA nos proporcionó una herramienta fácil de usar para desarrollar y desplegar nuestras pruebas HIL. La arquitectura del módulo NI VeriStand nos ayudó a personalizar el entorno para satisfacer las necesidades de las aplicaciones específicas de Ford."

- Michael P.C. Cornwall, Wineman Technology, Inc.

El Reto:

La creación de un sistema de test con HIL para simular, controlar y supervisar las pilas de combustible de vehículos de pasajeros desarrollados por Ford Motor Company.

La Solución:

Basar el sistema de test en el entorno de simulación y pruebas en tiempo real NI VeriStand, el complemento del software de control Wineman Technology INERTIA y el hardware NI PXI, de manera que Ford pudiese poner a prueba diversas células de combustible con un solo sistema de test.

Autor(es):

Michael P.C. Cornwall - Wineman Technology, Inc.
Todd VanGilder - Wineman Technology, Inc.
Darryn La Zar - Wineman Technology, Inc.
Todd VanCamp - Ford Motor Company

 

 

 

Introducción

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten gas de hidrógeno y oxígeno atmosférico en energía eléctrica y agua. Ford Motor Company está detrás de la utilización de pilas de combustible como fuente de energía alternativa para la alimentación de los vehículos de pasajeros. La investigación sobre células de combustible requiere un sistema de prueba que simule las entradas del vehículo para controlar y monitorizar las células de combustible y el sistema alrededor de ellas, adquirir datos para su análisis y una fácil adaptación a los futuros prototipos de pilas de combustible. Las pilas de combustible requieren un control de entrada de recursos precisa, así como una temperatura bien equilibrada y el control del flujo y presión del refrigerante. La unidad de control del motor (ECU) controla electrónicamente las pilas de combustible para responder a las acciones del conductor. La ECU proporciona un control en bucle cerrado de las señales entrantes y salientes del bus CAN. Una vez que se desarrollen nuevos prototipos de pila de combustible, el equipo de desarrollo de pilas de combustible Ford tiene que ser capaz de ajustar rápidamente la configuración del banco de pruebas para adaptarse a la nueva célula de combustible.

 

Construcción de una solución completa de hardware y software

Ford Motor Company ha seleccionado Wineman Technology para desarrollar una solución software que proporcione el control, la adquisición de datos, la supervisión y la arquitectura del sistema. Elegimos NI VeriStand y el módulo de control en tiempo real INERTIA para el desarrollo y el despliegue; ya que, proporcionan un entorno software de prueba sencillo de usar. En el caso del hardware, elegimos NI PXI, SCXI, módulos FPGA (field-programmable gate array) de RIO (NI reconfigurable I/O) y un dispositivo EtherCAT de E/S distribuidas para proporcionar una plataforma modular para el sistema HIL. Utilizando el API de NI VeriStand se creó una aplicación personalizada de LabVIEW para que la interfaz de usuario proporcionase una mayor flexibilidad.

 

Desarrollo de la aplicación de software en tiempo real

NI VeriStand y el hardware PXI ofrecen control determinístico junto con el  registro de datos en tiempo real. El complemento de control en tiempo real de NI VeriStand INERTIA proporciona el control PID (Proportional Integral Derivative) multimodo que facilita la conmutación dinámica entre la temperatura, la presión y el modo de control del flujo.

 

Al utilizar la arquitectura del módulo NI VeriStand creamos un hardware y software funcional específico para la aplicación. Estos módulos encajaron plenamente en la aplicación con las mismas prestaciones deterministas que otras características de VeriStand NI. Hemos creado módulos para la funcionalidad de alarma mejorada (matriz de alarma) y el VSC (vehicle system controller) que emula las salidas de la ECU. Ambos módulos realizan funciones críticas que requieren una respuesta condicional en tiempo real.

 

El módulo “Alarm Matrix” monitoriza los canales y el estado del sistema del vehículo. En base a los niveles de alerta definidos y el estado del sistema del vehículo, la matriz de alarma realiza acciones y disminuye el valor de las salidas del sistema VSC. El módulo VSC simula la ECU del vehículo, que actúa como puerta de entrada para el sistema de pila de combustible. El VSC es responsable de recibir las peticiones de potencia y refrigeración del sistema de la pila de combustible, verificar el estado del sistema para proporcionar los niveles establecidos y solicitar los niveles deseados o informar al sistema de la pila de combustible mediante el bus CAN.

 

La interconexión con los modelos de vehículos

Se utilizó NI VeriStand para interactuar con el código personalizado de NI LabVIEW, los modelos desarrollados en MathWorks, Inc. MATLAB® y los modelos creados y compilados en otros entornos de desarrollo. Hemos cargado una base de datos CAN en el entorno de NI VeriStand y vinculado las señales a los resultados del modelo. Cuando se pone en funcionamiento el modelo, se ejecuta la lógica en tiempo real para asegurar que la carga electrónica está en el estado correcto.

En la siguiente iteración, Ford seleccionó Dynacar, un módulo de NI VeriStand para la simulación completa del vehículo que se puede utilizar para seleccionar el vehículo elegido como blanco en el que se implementará la pila de combustible.

 

Los ingenieros de Ford pueden utilizar los menús desplegables para configurar el simulador y reproducir cuidadosamente el vehículo objetivo sin requerir modelos complejos. Mediante la adición de Dynacar al sistema, el equipo de desarrollo de células de combustible de Ford puede utilizar el hardware necesario para incluir un controlador en el bucle. Esto significa que pueden evaluar el sistema en un vehículo en condiciones reales de conducción sin salir del banco de pruebas.

 

 

Personalización de la interfaz de usuario

Hemos creado una aplicación de LabVIEW personalizada para configurar dinámicamente NI VeriStand y proporcionar al usuario una serie de herramientas e interfaces de E/S que muestren en base a demanda el número de monitores conectados al sistema. Estas pantallas y herramientas proporcionan la funcionalidad de una interfaz gráfica personalizada y presentan lo que Ford necesita para la aplicación además de  proporcionar interacción con las funciones de NI VeriStand tales como la configuración de los canales, la calibración, los canales calculados y generación de perfiles de prueba.

 

Cambio rápido de sensores en las nuevas pilas de combustible

Los sensores utilizados con cada nueva célula de combustible pueden variar de prototipo a prototipo, por lo que uno de los principales requisitos de las pruebas fue realizar el cambio del sensor sin fallos. La retroalimentación del sensor es crucial para entender la interacción de células de combustible en conjunción con la operación del banco de pruebas. Para entender esta relación, debe existir conexión y sincronización con los datos del banco de pruebas. Al usar un chasis de E/S distribuidas EtherCAT, podemos cambiar los sensores y los cables del chasis antes de que la pila de combustible se coloque en la célula de prueba. Por lo tanto, el banco de pruebas puede funcionar mientras que un técnico conecta los cables en la siguiente celda de combustible a probar, lo que ahorra tiempo y recursos. También significa que podemos actualizar la lista de sensores de cada nueva célula de combustible mediante la configuración del dispositivo EtherCAT dentro de NI VeriStand.

 

Entrega constante de soluciones para pruebas

Wineman Technology, en estrecha colaboración con National Instruments y Ford Motor Company, proporcionaron una solución intuitiva para una aplicación muy compleja de un vehículo de combustible alternativo. Nuestra larga historia de desarrollo de los sistemas de adquisición de datos, la estrecha relación con National Instruments y el profundo conocimiento de las plataformas de hardware y software en tiempo real de NI nos ayudaron a construir un sistema muy avanzado, potente, flexible y fácil de usar que cumplió con todos los requisitos del sistema de prueba de Ford Motor Company.

MATLAB® es una marca registrada de MathWorks, Inc.

 

Información del Autor:

Michael P.C. Cornwall
Wineman Technology, Inc.
1668 Champagne Dr
Saginaw, MI
Tel: 989-771-3000

Figura 1. Ford Motor Company necesitaba un sistema de pruebas HIL flexible para evaluar las células de combustible de vehículos de pasajeros.
Figura 2. Wineman Technology construyó una solución que integraba NI VeriStand, el control en tiempo real INERIA, PXI, SCXI, módulos de la Serie R con FPGA y E/S EtherCAT distribuidas.
Figura 3. Hemos desarrollado una aplicación personalizada de LabVIEW para mostrar mediante programación las herramientas apropiadas y las pantallas de E/S bajo demanda.